Method Article
* Эти авторы внесли равный вклад
Этот протокол направлен на описание того, как изучить степень интернализации золотистого стафилококка и его способность выживать внутри клетки-хозяина человека, а также внутриклеточную эффективность антимикробных соединений.
Золотистый стафилококк экспрессирует факторы вирулентности, чтобы вызвать его интернализацию в клетки эукариот и выжить внутри различных субклеточных компартментов. В данной работе описывается ферментный защитный анализ для изучения степени интернализации S. aureus и его внутриклеточной выживаемости в адгезивных непрофессиональных фагоцитарных клетках (NPPCs), а также внутриклеточной эффективности антимикробных соединений. NFPC выращивают в многолуночной плите до тех пор, пока они не достигнут 100% слияния. Культуры S. aureus выращивают в течение ночи в клеточной культуральной среде. Бактериальную суспензию разбавляют в соответствии с количеством клеток в лунке, чтобы привить клетки при контролируемой множественности инфекции. Инокулированные клетки инкубируют в течение 2 ч, чтобы позволить бактериям быть интернализованными NPC, после чего лизостафин добавляется в культуральную среду для селективного уничтожения внеклеточных бактерий. Лизостафин присутствует в питательной среде до конца эксперимента.
На этом этапе инфицированные клетки могут быть инкубированы с антимикробными соединениями для оценки их внутриклеточной активности против S. aureus. Затем клетки промывают три раза, чтобы удалить лекарства, и внутриклеточная нагрузка S. aureus затем количественно оценивается путем культивирования на агаровых пластинах. Альтернативно, для изучения факторов стафилококковой вирулентности, участвующих во внутриклеточной выживаемости и клеточной токсичности, лизостафин может быть инактивирован протеиназой К, чтобы устранить необходимость в промывочных шагах. Этот наконечник повышает надежность количественной внутриклеточной бактериальной нагрузки, особенно если клетки имеют тенденцию отделяться от культуральной пластины, когда они сильно заражаются из-за размножения внутриклеточного S. aureus. Эти протоколы могут использоваться практически со всеми типами адгезивных NPC и с 3D-моделями клеточных культур, такими как органоиды.
Золотистый стафилококк является одновременно опасным для жизни патогеном и комменсальной бактерией кожи и слизистой оболочки, которая колонизирует два миллиарда особей по всему миру1. У человека носовые носители S. aureus имеют повышенный риск заражения собственным штаммом носительства; однако многофакторные детерминанты носительства слизистой оболочки S. aureus до сих пор неясны1,2. В дополнение к острым инфекциям у пациентов также могут развиться хронические инфекции S. aureus, которые часто трудно вылечить3. Лучшее понимание взаимодействия хозяина и патогена во время колонизации и инфекции имеет решающее значение для разработки новых терапевтических стратегий и улучшения управления пациентами.
In vitro S. aureus может инициировать его интернализацию в клетки-хозяева, экспрессирующие интегрин α5β14. Трехстороннее взаимодействие между стафилококковыми фибронектин-связывающими белками, закрепленными на клеточной стенке S. aureus, фибронектином и интегрином β1, экспрессируемым на поверхности клетки-хозяина, хорошо известно как основной путь интернализации S. aureus в NPCC, таких как кератиноциты, остеобласты, фибробласты и эпителиальные и эндотелиальные клетки4. Недавние исследования показывают, что S. aureus можно найти внутри клеток человека во время колонизации носа5,6 и инфекции7. Однако роль внутриклеточного резервуара в патогенезе инфекции S. aureus остается неясной. Клетки-хозяева могут выступать в качестве укрытия для S. aureus, который защищен как от иммунной системы8, так и от большинства антимикробных соединений6,9.
Анализ защиты лизостафинов, описанный Proctor10 ранее в 1980-х годах, позволяет изучать бактериальные факторы и факторы хозяина, участвующие в интернализации изолятов S. aureus . Лизостафин представляет собой бактериоцин, продуцируемый Staphylococcus simulans, который проявляет мощную активность в отношении почти всех изолятов S. aureus , включая устойчивые к антибиотикам штаммы11. Лизостафин был использован для уничтожения только внеклеточного S. aureus , чтобы обеспечить подсчет только жизнеспособных внутриклеточных бактерий12. Этот метод широко использовался и способствовал открытию нескольких факторов вирулентности S. aureus. Гентамицин, отдельно и в сочетании с лизостафином, также широко используется для изучения внутриклеточных бактерий.
Однако недавнее исследование показало, что гентамицин проникает в эукариотические клетки и достигает интернализованных бактерий в зависимости от времени и концентрации13. Это исследование также продемонстрировало, что лизостафин не попадает в эукариотические клетки, подтверждая, что анализ защиты ферментов на основе лизостафина (EPA) является наиболее точным анализом для количественной оценки внутриклеточной нагрузки S. aureus с помощью culture13. Независимо от того, какое соединение используется для уничтожения внеклеточных бактерий (например, лизостафин или гентамицин), его следует удалить, промыв клетки перед покрытием внутриклеточного S. aureus на агаровых пластинах. Последовательные промывки могут привести к отслоению клеток, особенно плохо адгезивных клеток (например, сильно инфицированных клеток), что приведет к недооценке внутриклеточной нагрузки S. aureus . В этой статье подробно описывается, как EPA может быть использован для количественной оценки внутриклеточной нагрузки S. aureus и для измерения внутриклеточной эффективности противомикробных соединений с использованием модели in vitro . Следует отметить, что был предложен простой метод повышения надежности количественной оценки внутриклеточной нагрузки, избегая интенсивных промывок.
1. Культура эпителиальных клеток человека
2. Культура штаммов S. aureus
3. Анализ на инфекцию S. aureus
Результаты интернализации S. aureus эпителиальными клетками A549 показаны на рисунке 1А. Клетки A549 инокулировали S. aureus SF8300 WT и SF8300 ΔfnbA/B, в которых отсутствуют фибронектин-связывающие белки A и B, при MOI 1 в течение 2 ч. Для уничтожения внеклеточного S. aureus в культуральную среду добавляли лизостафин, и клетки инкубировали в течение 1 ч. Затем лизостафин удаляли либо промывкой для EPA, либо инактивировали протеиназой K для iEPA. Затем клетки были разрушены в буфере лизиса, и бактериальная нагрузка была количественно оценена культурой. При использовании EPA средние внутриклеточные нагрузки составляли 4,46 и 0,49 log CFU/mL для SF8300 WT и SF8300 ΔfnbA/B соответственно (рисунок 1A, зеленые полосы). При использовании iEPA средние внутриклеточные нагрузки составляли 4,53 и 0,56 log CFU/mL для SF8300 WT и SF8300 ΔfnbA/B соответственно (рисунок 1A, красные полосы). Интересно отметить, что как EPA, так и iEPA показали аналогичные результаты, что можно объяснить простотой выполнения промывок, когда клетки находятся в хорошем состоянии, и тем, что цитотоксичность, индуцированная S. aureus, очень низка в этих экспериментальных условиях (данные не показаны).
Результаты внутриклеточной активности ванкомицина, рифампицина и левофлоксацина в отношении S. aureus показаны на рисунке 1В. Для измерения внутриклеточной активности этих антибиотиков клетки HaCaT инокулировали S. aureus ATCC 29213 при MOI 1 в течение 2 ч. Клетки инкубировали с лизостафином, с антимикробными соединениями или без них, подлежащими тестированию, в течение 24 ч. Далее лизостафин и антимикробные соединения удаляли путем промывки. Клетки были разрушены в буфере лизиса, а бактериальная нагрузка была количественно определена культурой. Средние внутриклеточные нагрузки составляли 4,57, 4,51, 3,03 и 2,91 log CFU/mL для контроля, ванкомицин (50 мкг/мл), рифампицин (7 мкг/мл) и левофлоксацин (10 мкг/мл) соответственно (рисунок 1B).
Рисунок 1: Внутриклеточный золотистый стафилококк в эпителиальных клетках. (A) Анализ защиты ферментов (зеленые полосы) и улучшенный анализ защиты ферментов (красные полосы) в клетках A549, инфицированных S. aureus SF8300 WT и ΔfnbA/B. (B) Внутриклеточная активность антимикробных соединений в клетках HaCaT, инфицированных S. aureusus АТХК 29213. Столбцы представляют средние значения трех независимых экспериментов, выполненных в трех экземплярах. Полосы погрешностей представляют стандартные отклонения. p < 0,0001. Сокращения: Ctrl = control; КОЕ = колониеобразующие единицы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Описанные здесь анализы ценны для изучения степени интернализации и внутриклеточной выживаемости S. aureus в NPPCs, а также внутриклеточной эффективности антимикробных соединений6,15,16. Некоторые шаги в обоих протоколах анализа могут быть критическими. Состояние здоровья и плотность клеток должны прекрасно контролироваться и согласовываться между независимыми экспериментами. Бактериальный инокулят должен быть тщательно стандартизирован, чтобы получить реальный MOI, близкий к целевому теоретическому MOI. В общем, необходимо соблюдать осторожность, чтобы не отсоединить ни одну из клеток во время пипетки. Промывки для удаления лизостафина и антибиотиков являются критическими шагами в EPA. Было обнаружено, что использование протеиназы K улучшает этот этап, когда антибиотик не используется (см. Ниже). И последнее, но не менее важное: клетки должны быть полностью отделены в каждой лунке и полностью гомогенизированы после инкубации с буфером лизиса для надежной количественной оценки внутриклеточной нагрузки S. aureus.
В некоторых случаях могут возникнуть проблемы, и сначала необходимо проверить несколько пунктов. В случае отсутствия воспроизводимости следует иметь в виду, что S. aureus может образовывать сгустки, что делает количественную оценку по поглощению неточной. Скопление бактерий может быть увеличено путем центрифугирования и промывки, если культуральная среда должна быть заменена (например, для устранения секретируемого белка). Бактериальную суспензию следует использовать быстро, потому что бактерии продолжают расти при комнатной температуре. Эффективность лизостафина может снижаться из-за неправильных условий хранения, неоптимального рН активности ферментов в питательных средах, изменчивости ферментативной активности между партиями и поставщиками и отсутствия чувствительности к лизостафину некоторых штаммов в специфических условиях роста. Фенол красный может оказывать небольшое бактериостатическое действие, особенно когда культуральная среда относительно бедна питательными веществами по сравнению с типичными бульонами, используемыми для выращивания бактерий. Таким образом, целесообразно использовать среду для культивирования клеток без фенольного красного цвета, что также улучшает флуоресцентные микроскопические наблюдения за счет уменьшения фонового шума.
Хотя этот метод является ценным инструментом для изучения внутриклеточной судьбы различных штаммов, следует учитывать некоторые пределы метода. Использование очень высокого MOI может перегрузить возможности интернализации NFPC и выровнять различия между различными тестируемыми штаммами. Степень интернализации большинства цитотоксических штаммов может быть недооценена, потому что лизостафин (или антибиотики) быстро разрушает S. aureus , который высвобождается поврежденными клетками. Таким образом, эксперименты с увеличенной продолжительностью (т.е. для изучения внутриклеточной выживаемости или внутриклеточной активности антибиотиков) легче установить со штаммами с низкой цитотоксичностью. Поэтому время инкубации и MOI должны быть точно скорректированы в соответствии с вирулентностью штамма, типом клетки и экспериментальной целью.
Метод, описанный здесь с использованием лизостафина, является более надежным, чем методы, основанные на гентамицине, поскольку, в отличие от лизостафина, гентамицин имеет тенденцию усваиваться клетками-хозяевами13. Другим преимуществом является возможность инактивации лизостафина. Ингибирование активности лизостафина было сообщено Kim et al.13 с использованием ЭДТА для хелатирования ионов цинка или 1,10-фенантролина; тем не менее, интенсивные промывки по-прежнему необходимы для удаления фермента перед покрытием бактерий. Здесь протеиназа К обеспечивает быструю инактивацию лизостафина. Мы наблюдали, что клетки имеют тенденцию отделяться от культуральной пластины, когда они сильно заражаются из-за размножения внутриклеточного S. aureus. Пропуская заключительный этап промывки, метод iEPA значительно упростил техническое обращение и позволил восстановить интернализованные бактерии в слабо прилегающих или уже отсоединенных клетках.
Более концентрированные реагенты и буферы, используемые в iEPA, также помогли уменьшить усилия по пипетке и свести к минимуму потерю клеток. Кроме того, iEPA можно использовать с клетками в суспензии, а также с органоидами, которые трудно мыть. В заключение, ферментные защитные анализы позволяют изучать степень интернализации и внутриклеточную судьбу S. aureus, а также внутриклеточную активность противомикробных препаратов с различными моделями in vitro . Улучшения должны быть сделаны, чтобы лучше охарактеризовать взаимосвязь между интернализацией и цитотоксичностью, чтобы лучше оценить важность разработки лекарств, способных достигать S. aureus внутри клетки.
У авторов нет конфликта интересов, о которых можно было бы заявить.
Штаммы S. aureus SF8300 WT и SF8300 ΔfnbA/B были щедро подарены профессором Бинь Дипом (Калифорнийский университет, Сан-Франциско, США). Эта работа была поддержана грантом ассоциации FINOVI (#AO13 FINOVI) под эгидой Фонда Лионского университета.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
24-well plate | CORNING-FALCON | 353047 | |
A549 cell line | ATCC | CCL-185 | |
Acetate buffer solution pH 4.6 | Fluka | 31048 | Used to prepare lysostpahine stock solution at 10 mg/mL in 20 mM sodium acetate. |
AMBICIN (Recombinant lysostaphin) | AMBI | LSPN-50 | Lyophilized recominant lysostaphin. Freeze at -80 °C for long-term storage. |
COS - Colombia agar + 5% sheep blood | Biomerieux | 43049 | Any agar plate suitable for growing staphylococci can be used instead. |
Densitometer WPA CO8000 | Biochrom Ltd. | 80-3000-45 | Cell density meter |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium, high glucose with phenol red | Sigma-Aldrich | D6429 | |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium, high glucose without phenol red | Sigma-Aldrich | D1145 | |
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Dulbecco′s Phosphate-buffered Saline with MgCl2 and CaCl2, sterile-filtered | Sigma-Aldrich | D8662 | |
Dulbecco′s Phosphate-buffered Saline, sterile-filtered | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Easyspiral dilute | Interscience | 414000 | Automatic diluter and spiral plater |
Fetal bovine serum | Gibco | 10270-106 | |
HaCaT cell line | Cell lines service (CLS) | 300493 | |
Hoechst 33342, Trihydrochloride, Trihydrate, 10 mg/mL Solution in Water | Fisher scientific | 11534886 | |
Propidium iodide, 1.0 mg/mL solution in water | Invitrogen | P3566 | |
Proteinase K, recombinant 20 mg/mL | Eurobio | GEXPRK01-B5 | > 30 U/mg, lot 901727 |
Scan 4000 | Interscience | 438000 | Automatic colony counter |
Sterile water | OTEC | 600500 | |
T-75 culture flask | CORNING-FALCON | 353136 | |
TC20 Automated cell counter | Biorad | 1450102 | Automatic cell counter |
Tris 1 M pH 8.0 | Invitrogen | AM9855G | Used to prepare lysostaphine working solution at 1 mg/mL in 0.1 M Tris-HCl. |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
Trypsin - EDTA solution | Sigma-Aldrich | T3924 | 0.05% porcine trypsin and 0.02% EDTA in Hanks′ Balanced Salt Solution with phenol red |
Wide-field fluorescence microscope | Nikon | Ti2 |
An erratum was issued for: Improved Enzyme Protection Assay to Study Staphylococcus aureus Internalization and Intracellular Efficacy of Antimicrobial Compounds. One of the affiliations was updated.
The fifth affiliation was updated from:
Département de Bactériologie, Institut des Agents Infectieux, Hospices Civils de Lyon, Lyon, France
to:
Department of Bacteriology, Institute for Infectious Agents, Hospices Civils de Lyon, Lyon, France
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены